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- 从同步器的同步队列、独占式获取和释放同步状态、共享式获取和释放同步状态等核心数据结构和模板方法，分析同步器的实现。
1. 同步队列
① 同步队列的基本结构
- 同步器依赖内部的同步队列（一种FIFO双向队列）实现同步状态的管理：
- 当前线程获取同步状态失败，同步器将当前线程和等待状态等信息封装成Node节点，添加到同步队列的尾部。同时，会阻塞当前线程。
- 同步状态释放，会唤醒同步队列的首节点中的线程，使其再次尝试获取同步状态。
- Node节点中的重要属性：prev和next，构成双向队列。
- Node prev： 用于指向当前节点的前驱节点
- Node next： 用于指向当前节点的后继节点
- 同步队列的重要属性：head和tail
- Node head： 指向头结点的引用，即指向队列的头结点（但head并非真正的头结点）
- Node tail： 指向尾节点的引用，即指向队列的尾节点（但tail并非真正的尾节点）
- 同步队列的基本结构，如下图所示。
② 节点的添加——设置尾节点
- 由于同步队列是一个FIFO的双向队列，每次新添加的节点都从队列尾部进行添加。
- 当一个线程成功获取了同步状态，其他线程只能被同步器封装成节点添加到队列中。
- 节点入队的过程，必须保证线程安全。原因： 在多线程环境下，可能造成添加到同步队列的节点顺序错误或者数量不对。
- 为了保证线程安全，同步器提供了一种CAS设置尾节点的方法：
compareAndSetTail(Node expect, Node update)。通过expect的限定，保证节点的加入是有序的。
- 当expect节点为队列的原尾节点时，将新尾节点的prev引用指向原尾节点，将原尾节点的next引用指向新尾节点。
- 将队列的tail引用指向新尾节点，完成CAS设置尾节点。
③ 设置头结点
- 头结点成功获取同步状态的节点，头结点中的线程在释放同步状态的同时，也会唤醒后继t节点中的线程。 如果后继节点中的线程成功获取同步状态，将会成为新的头结点。
- 设置头结点是由获取同步状态成功的线程来完成，由于只有一个线程能获取到同步状态，因此头结点的设置不需要CAS保证。
- 将head引用指向新头结点
- 断开原头结点和新头节点之间的prev和next引用。
2. 独占式获取和释放同步状态
① 独占式获取同步状态
- 独占式获取同步状态，使用同步器中的
acquire()模板方法。节点中的线程无法响应中断，发生中断后，不会从同步队列中移出。
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
acquire()模板方法主要完成了同步状态获取、节点构造、加入同步队列以及在同步队列中自旋等待的相关工作，其主要逻辑是：
- 当前线程通过调用
tryAcquire()可重写方法独占式的获取同步状态，获取成功直接返回。 - 获取同步状态失败，构建独占式同步节点（
Node.EXCLUSIVE），并调用addWaiter(Node mode)方法将该节点加入到同步队列中。 - 最后调用
acquireQueued(finalNode node, int args)方法，使该节点以死循环的方式获取同步状态。如果获取同步状态失败则阻塞节点中的线程，直到该节点的前驱节点出队或者阻塞线程被中断，才能唤醒阻塞线程。
acquire()方法的调用流程：
② 同步节点的自旋
- 调用
acquireQueued(finalNode node, int args)方法，会让节点以死循环的方式获取同步状态，这种死循环叫做节点的自旋。 - 节点进入同步队列后，就进入了一个自旋的过程：每个节点（或者说每个线程）都在自省的观察，当条件满足，获取到了同步状态，就可以从这个自旋过程中退出。否则， 依旧留在这个自旋过程中。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
- 自己对自旋的理解：
- 当前线程获取同步状态失败，会被封装成同步节点并加入到同步队列中。加入到同步队列中的线程是阻塞的，等待被唤醒。
- 节点中的线程被唤醒，如果该节点的前驱节点是头节点且获取同步状态成功，则该节点会退出旋过程，然后将自己设置为新的头结点。
- 节点中的线程被唤醒，如果发现自己的前驱节点不是头结点或者获取同步状态失败，则会重新阻塞，等待下一次被唤醒。
- 在
acquireQueued()方法中，要求只有前驱节点是头结点才能获取同步状态，这样做的原因：
- 头结点是获取同步状态的节点，头结点释放同步状态的同时将会唤醒后继节点，后继节点中的线程将会检查自己的前驱节点是否为头结点。
- 这样可以保证同步队列的FIFO规则。
- 处于自旋的同步节点各自独立地检查自己的状态，通过简单的判断自己前驱节点是否为头结点，既可以保证同步队列的FIFO原则，又能方便地处理过早被通知的情况。
- 过早被通知： 前驱节点不是头结点的线程因为中断而被唤醒。
③ 独占式的释放同步状态
- 调用同步器的release()模板方法，实现独占式的释放同步状态。
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
- 如果头结点成功释放同步状态，调用
unparkSuccessor()方法唤醒后继节点线程。 unparkSuccessor()内部通过LockSuppor.unpark()方法，唤醒于阻塞的线程。
3. 共享式的获取和释放同步状态
① 共享式的获取同步状态
- 共享式获取与独占式获取的区别： 同一时刻能否有多个线程同时获取到同步状态。
- 以文件的读写为例：
- 如果有一个程序在读文件，那么这一时刻的写操作均被阻塞，而读操作能够同时进行。
- 如果有一个程序在写文件，那么这一时刻不管是其他的写操作还是读操作，均被阻塞。
- 写操作要求对资源的独占式访问，而读操作可以是共享式访问。
- 调用同步器的
acquireShared()模板方法，可以实现共享式获取同步状态。
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
- 当前线程首先调用
tryAcquireShared()可重写方法，共享式的获取同步状态。如果返回值大于等于0，表示获取成功并返回。 - 如果返回值小于表示获取失败，调用
doAcquireShared()方法，让线程进入自旋状态。 - 自旋过程中，如果当前节点的前驱节点是头结点，且调用
tryAcquireShared()方法返回值大于等于0，则退出自旋。否则，继续进行自旋。
② 共享式的释放同步状态
- 调用
releaseShared()模板方法，共享式的释放同步状态。
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {
doReleaseShared();
return true;
}
return false;
}
- 共享式释放同步状态，使得同步状态的释放可能同时来自多个线程。为了确保同步状态的安全释放，一般通过循环和CAS来保证。
4. 关于AQS的问题总结
1. 什么是AQS？与锁的区别和联系？
- AQS：AbstractQueuedSynchronizer，队列同步器。
- AQS与锁的区别和联系：
- AQS是实现锁和其他同步组件的基础框架
- AQS是面向锁的实现者，它简化了锁的实现方式，屏蔽了同步状态管理，线程的排队、等待与唤醒等底层操作。
- 锁是面向使用者，它定义了使用者与锁交互的接口，隐藏了实现细节。
- AQS和锁有效的隔离了实现者和使用者所需关注的领域。
2. AQS中，自定义同步器需要重写哪些方法？
- 基础： AQS中5种指定的可重写方法的名称、作用，
tryAcquire()的实现：compareAndSetState()。 - 进阶： 以实现锁为例，讲解如何使用同步器的实现自定义锁。
3. AQS是什么？底层如何实现？
- 关于如何为实现：
- 两个核心（同步状态和同步队列）
- 更改同步状态的三种核心方法
- 同步队列的结构、如何设置尾节点（需要CAS保证）和头结点（不需要CAS保证）。